改性聚乙烯醇-乙烯共聚物納米纖維膜對重金屬離子的吸附性能

王 遙， 朱 青， 胡春艷，2， 王 棟，2，3， 閻克路，2

(1. 東華大學(xué) 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 國家染整工程技術(shù)研究中心， 上海 201620； 3. 武漢紡織大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200)

改性聚乙烯醇-乙烯共聚物納米纖維膜對重金屬離子的吸附性能

王 遙1， 朱 青1， 胡春艷1，2， 王 棟1，2，3， 閻克路1，2

(1. 東華大學(xué) 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 國家染整工程技術(shù)研究中心， 上海 201620； 3. 武漢紡織大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200)

為改善重金屬離子對環(huán)境的破壞作用，制備了改性聚乙烯醇-乙烯共聚物(PVA-co-PE)納米纖維膜用于重金屬離子吸附。探討了重金屬初始濃度、吸附時間及pH值對改性膜重金屬吸附量的影響。結(jié)果表明：經(jīng)羅丹寧改性后的納米纖維膜對Hg2+的吸附屬于Langmuir吸附等溫線，遵從準(zhǔn)二級方程，即化學(xué)吸附；當(dāng)pH=3時，改性膜對Hg2+的平衡吸附量最大為17.26 mg/g，且具有一定的可循環(huán)利用性。此外，改性膜具有較好的抗菌性，對混合重金屬溶液(Hg2+和Pb2+)也具有一定的吸附能力，為重金屬廢水的處理提供一種有效方法。

羅丹寧； 聚乙烯醇-乙烯共聚物納米纖維膜； 重金屬吸附； 抗菌性

工業(yè)廢水中含有大量重金屬離子，因重金屬離子在自然環(huán)境中難降解且易在生物體中富集而成為全球關(guān)注的環(huán)境問題。所以，在將污水排放入生態(tài)環(huán)境之前勢必要先去除其中的重金屬離子。如今有多種去除重金屬離子的方法[1-3]：化學(xué)沉積法、電解法、溶劑萃取法、離子交換法、膜分離法、生物絮凝法以及吸附法。吸附法因其低成本、高效率被認(rèn)為是較高效的方法。常用的吸附劑包括活性炭、沸石[4]、高嶺土[5-6]為代表的無機礦物吸附劑，以及纖維素[7]、殼聚糖、環(huán)糊精[8-9]為代表有天然高分子吸附劑，及其他以離子液體、納米材料為代表的新型吸附劑。良好的吸附劑應(yīng)該具有制備工藝簡單、比表面積大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、再生性強、力學(xué)性能好等優(yōu)點。納米纖維特別是親水性納米纖維，因其較大的比表面積和較多的可反應(yīng)官能團，在吸附重金屬離子方面更為突出[10-11]。

羅丹寧及其衍生物具有多種性能，如抗菌、抗腐蝕等[12-13]。同時，由于其分子結(jié)構(gòu)中有被視為吸附中心的3種雜原子(N、O、S)能夠與重金屬離子共用電子對，從而達(dá)到吸附重金屬的目的。本文中所采用的聚乙烯醇-乙烯共聚物(PVA-co-PE)納米纖維是通過熔融擠出相分離方法[14-16]制得，不僅實現(xiàn)了環(huán)境友好型，還實現(xiàn)了工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，是良好的吸附基材[17]。為提高其吸附性能，采用吸附效果更好的羅丹寧對其進(jìn)行改性。羅丹寧本身能在一定條件下發(fā)生自聚合反應(yīng)[18-19]，因此，在PVA-co-PE納米纖維膜上引入羅丹寧，可以賦予該膜獨特的性質(zhì)，用作抗菌重金屬離子吸附材料。

本文探討了羅丹寧改性PVA-co-PE納米纖維膜對Hg2+、Pb2+的吸附性能以及對混合重金屬溶液(Hg2+、Pb2+)的吸附，同時以Hg2+為研究對象，探討了吸附動力學(xué)及吸附等溫線。

1 實驗部分

1.1 原料及儀器

試劑：PVA-co-PE(PE含量44%)、醋酸丁酸纖維素酯(CAB)、羅丹寧(分析純)、丙酮、FeCl3·6H2O、Hg標(biāo)準(zhǔn)溶液、Pb標(biāo)準(zhǔn)溶液、HNO3、NaOH、NaCl、瓊脂粉、NaH2PO4·2H2O、Na2HPO4(均為分析純)、胰蛋白胨、酵母提取物(生化試劑，OXOID)、金黃色葡萄球菌(ATCC 6538，S.aureus)。

儀器：BSA224S型電子天平(德國賽多利斯集團)、XMTD-8222 型真空干燥箱(上海精宏實驗設(shè)備有限公司)、RY-25012 型常溫型染樣機(上海龍靈電子科技有限公司)、DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏實驗設(shè)備有限公司)、QB-210 型旋轉(zhuǎn)搖床(海門市其林貝爾儀器制造有限公司)、Quanta 250 型掃描電鏡 (FEI- Thermo-Fisher科學(xué)有限公司)、Nicolet 6700 型紅外光譜儀(Thermo-Fisher 科學(xué)有限公司)、Prodigy型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀 (美國Leeman 有限公司)、LDZX-30FBS 型立式蒸汽滅菌鍋(上海申安醫(yī)療器械廠)、ZHWY-200H型恒溫培養(yǎng)振蕩器(上海智城分析儀器制造公司)、ZHJH-C1112B型超凈工作臺(上海智城分析儀器制造公司)、GHP-9080 型恒溫培養(yǎng)箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)。

1.2 工藝流程

1.2.1 PVA-co-PE納米纖維膜的制備

采用熔融共混擠出相分離法制備PVA-co-PE/CAB復(fù)合纖維，通過丙酮除去CAB后，得到PVA-co-PE納米纖維。將一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米纖維懸浮液分散后與滌綸基材相復(fù)合，制備出PVA-co-PE納米纖維膜。

1.2.2 改性PVA-co-PE納米纖維膜的制備

取2 cm×2 cm大小的納米纖維膜浸入10 mL含0.121 6 g FeCl3·6H2O水溶液中，65 ℃真空烘干，再放入10 mL含0.059 9 g羅丹寧的水溶液中，70 ℃下振蕩反應(yīng)24 h。取出水洗烘干[20]。

1.2.3 納米纖維膜對重金屬的吸附

將PVA-co-PE納米纖維膜與改性納米纖維膜浸入20 mL不同初始濃度重金屬溶液中，室溫條件下進(jìn)行吸附。溶液的pH值通過滴加少量的NaOH或HNO3溶液來調(diào)節(jié)。

膜的吸附量計算公式為

式中：Qe是平衡吸附量，mg/g；Co和Ce是吸附前和吸附平衡后溶液中重金屬質(zhì)量濃度， mg/L；V是溶液體積，L；m是納米纖維膜的質(zhì)量，g。

膜的吸附百分比計算公式為

式中：q是吸附百分比；Co和C是吸附前和吸附后溶液中重金屬濃度，mg/L。

1.3 測試方法

1.3.1 膜表面形貌觀察

利用Quanta 250型掃描電鏡，觀察膜的表面形貌。使用導(dǎo)電膠帶將樣品粘附于掃描電鏡載物臺上。在觀察之前，利用噴金儀對樣品噴金40 s，噴金電流為10 mA。完成噴金后，置于掃描電鏡中觀察樣品，加速電壓為3.0 kV。

1.3.2 全反射傅里葉紅外光譜測試

采用紅外光譜儀對膜表面進(jìn)行測試來判斷羅丹寧是否與納米纖維膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，掃描范圍為4 000～700 cm-1。

1.3.3 電感耦合等離子光譜測試

向吸附前及吸附后的重金屬離子溶液滴加少量濃硝酸搖勻后，各取2 mL，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀對其進(jìn)行重金屬離子含量測試。

1.3.4 抗菌性測試

參照AATCC 100—2009《抗菌紡織品的評價方法》測試。主要是定性(抑菌圈)判斷羅丹寧改性后納米纖維膜對金黃色葡萄球菌的抑菌性能。

將納米纖維原膜和改性后納米纖維膜剪成直徑為2.0 cm的樣品，在超凈工作臺上用移液槍移取300 μL濃度為108CFU/mL的細(xì)菌培養(yǎng)液，滴入具有培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿中，在酒精燈旁用三角棒將細(xì)菌液均勻涂布至干，然后將樣品用鑷子夾入培養(yǎng)基中，輕輕按壓使之與培養(yǎng)基充分接觸，然后放入培養(yǎng)箱中37 ℃培養(yǎng)18 h，觀察抑菌圈情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米纖維膜改性前后的形貌特征

圖1示出納米纖維膜的電鏡照片。PVA-co-PE納米纖維膜與羅丹寧改性后的膜形貌結(jié)構(gòu)幾乎沒有變化，表明羅丹寧改性后不會對納米纖維膜結(jié)構(gòu)造成破壞，即仍保持了納米級尺寸與較大的比表面積，有利于后續(xù)重金屬吸附。

圖1 改性前后納米纖維膜掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM images of nanofiber membranes before (a) and after (b) modification

2.2 納米纖維膜改性前后的紅外譜圖

圖2 納米纖維膜紅外圖Fig.2 ATR images of rhodanine monomer and nanofiber membranes

2.3 重金屬吸附能力分析

2.3.1 pH值對重金屬吸附的影響

根據(jù)金屬氫氧化物溶度積，吸附pH值控制在3～7之間較好，pH值太高重金屬離子易沉淀，太低羧基不易電離，影響吸附性能。而且當(dāng)pH值大于5時，Pb2+溶液中會出現(xiàn)白色沉淀，不適合吸附，所以Pb2+溶液吸附pH值范圍選為3～5，結(jié)果見表1。

表1 不同pH值條件下納米纖維膜對Hg2+和Pb2+的吸附性能

表中結(jié)果表明，羅丹寧改性后的納米纖維膜對Hg2+和Pb2+均有良好的吸附效果，其中對Hg2+吸附性更好。當(dāng)pH=3時，羅丹寧改性膜對Hg2+有較好吸附能力，對比納米纖維原膜的吸附量為0，而羅丹寧改性膜的吸附量卻達(dá)到17.26 mg/g。羅丹寧改性膜對Pb2+的吸附不明顯，pH=5時吸附量最大，為3.834 mg/g，故選擇吸附量最大的Hg2+來進(jìn)行吸附動力學(xué)與吸附熱力學(xué)研究，pH值選為3。

2.3.2 吸附動力學(xué)

通過研究時間與Hg2+吸附量的變化來研究納米纖維改性膜的吸附動力學(xué)，如圖3所示。實驗pH值為3±0.02，Hg2+初始質(zhì)量濃度為100 mg/L。

圖3 羅丹寧改性膜吸附動力學(xué)Fig.3 Adsorption kinetics of Hg2+ onto modified membrane. (a) Time dependence of adsorption capacity of Hg2+ onto modified membrane; (b) Pseudo-second-order kinetic equation

由圖3 (a) 可看出，吸附前6 h 重金屬離子迅速與膜上吸附位點結(jié)合，吸附量與吸附百分比大幅上升。6 h后，隨著時間的延長，位點逐漸被占用，吸附量增加減慢。

為研究金屬吸附機制，將實驗數(shù)據(jù)代入動力學(xué)準(zhǔn)一級方程和準(zhǔn)二級方程的線性形式。圖3 (b) 中擬合結(jié)果表明，羅丹寧改性納米纖維膜對Hg2+的吸附屬于準(zhǔn)二級吸附模型，即化學(xué)吸附。羅丹寧改性納米纖維膜是通過與重金屬離子共用電子或是交換電子的靜電引力來達(dá)到吸附目的。

2.3.3 吸附等溫線

選取pH=3條件下探究納米纖維復(fù)合膜對重金屬離子吸附等溫線，如圖4所示。Hg2+初始質(zhì)量濃度分別為10、30、50、70、100、200、500、1 000 mg/L。

圖4 初始Hg2+質(zhì)量濃度對吸附能力的影響Fig.4 Effect of Hg2+ initial concentration on modified nanofiber membrane

由圖可看出，隨著Hg2+初始濃度的增大，納米纖維復(fù)合膜的吸附量也增大。當(dāng)初始質(zhì)量濃度低于100 mg/L時，吸附量隨著初始濃度的增加迅速增加，在這個階段中，重金屬離子迅速與納米纖維膜上的吸附位點相結(jié)合。當(dāng)初始濃度高于100 mg/L后，吸附量緩慢增加，在濃度200 mg/L下達(dá)到平衡，為41.74 mg/g。這一現(xiàn)象可解釋為膜上的吸附位點幾乎已被重金屬離子占滿。而吸附百分比隨著Hg2+初始濃度的增加而降低，初始濃度為10 mg/L時，吸附百分比最高，為94.48%。根據(jù)Langmuir和Freundlich吸附等溫線模型對實驗數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果表明羅丹寧改性PVA-co-PE納米纖維膜吸附Hg2+更符合Langmuir吸附等溫線，即單層吸附。

2.3.4 改性納米纖維膜對混合金屬離子的吸附

工業(yè)廢水中通常是多種重金屬離子并存，為探究其他重金屬離子是否會影響單個離子吸附。實驗選擇Pb2+和Hg2+2種金屬離子來混合。實驗中所用到的重金屬離子溶液包括單獨一種金屬離子溶液(100 mg/L)或是2種金屬離子混合溶液(每種50 mg/L)，pH值為3，結(jié)果如表2所示。

表2 混合金屬對羅丹寧改性膜吸附性能影響

Hg2+與Pb2+均屬于軟酸，羅丹寧上的N、S、O等基團屬于軟堿。由圖可看出，在其他重金屬離子存在下，Hg2+吸附量受到影響，由單個離子時的吸附量30.07 mg/g降至14.75 mg/g，但其吸附百分比幾乎不變。而Pb2+的吸附量變化不大，而吸附百分比由3.555%增至7.078%。在混合離子溶液中，改性膜對Hg2+的去除能力不變，但可能由于可結(jié)合位點被占據(jù)，吸附量下降。羅丹寧改性后的納米纖維膜對Hg2+選擇性要高于Pb2+，可能由于兩者半徑的差異且具有不同的配位位置，配位后產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)促進(jìn)膜對Pb2+的吸附能力，故去除率增加。

2.3.5 改性納米纖維膜對Hg2+的循環(huán)吸附

因汞具有劇毒，本文選擇Hg2+作為目標(biāo)金屬離子，對羅丹寧改性的納米纖維膜進(jìn)行吸附-洗脫-再吸附實驗。在HNO3中洗脫時，吸附在膜上的金屬離子與足量的H+進(jìn)行交換，從而重新具有螯合重金屬離子的能力。為更清楚地看出洗脫前后吸附能力的變化，采用柱形-折線圖來表示，如圖5所示。

圖5 羅丹寧改性膜循環(huán)吸附性能Fig.5 Metal uptake and removal efficiency of Hg2+ions by polyrhodanine modified membrane

由圖5可知，羅丹寧改性后的納米纖維膜在第2次循環(huán)時，吸附量已降至為第1次循環(huán)吸附量的1/3，吸附百分比降至為第1次循環(huán)吸附量的1/4，而第3次循環(huán)幾乎保持了第2次循環(huán)的吸附量和吸附百分比，除去率仍為20%以上，吸附量高于8 mg/g，依然具有一定的吸附能力。

2.3.6 改性納米纖維膜的抗菌性

本文采用抑菌圈的方法來定性判斷羅丹寧改性膜是否具有抗菌性，PVA-co-PE原膜作為對比樣，結(jié)果如圖6所示。

圖6 改性前后羅丹寧膜抗菌性Fig.6 Antibacterial activity of polyrhodanine modified membrane before (a) and after (b) modification

由圖6可知，PVA-co-PE納米纖維膜不具有抗菌性，甚至膜上也長了菌落，而羅丹寧改性膜周圍出現(xiàn)了一圈很明顯的抑菌圈。由于該膜的吸濕性能很好，在吸收培養(yǎng)基的水后，聚羅丹寧可慢慢擴散在培養(yǎng)基中。聚羅丹寧主鏈上含有叔胺基團，當(dāng)其被質(zhì)子化后則會帶上正電荷。在沉積在納米纖維膜上與表面帶負(fù)電的細(xì)菌相接觸后，能損壞細(xì)菌細(xì)胞膜，從而導(dǎo)致細(xì)胞溶解。另有研究[22]表明，聚羅丹寧上的S和O都帶有未成對電子，游離電子能起到抗菌作用。

目前無機礦物吸附劑、天然高分子吸附劑及其他新型吸附劑由于吸附量、難改性、污染環(huán)境等一系列問題無法滿足吸附要求，而羅丹寧改性的PVA-co-PE納米纖維膜具有制備工藝簡單、比表面積大、表面可螯合重金屬離子的官能團多、一定的重復(fù)利用性、環(huán)境友好型及可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點；同時，在吸附水中重金屬離子時，還能殺滅其中的細(xì)菌。這些特性使其在凈水器濾芯材料方面有較好的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 論

通過沉積法在PVA-co-PE納米纖維膜上引入Fe3+，在Fe3+的催化作用下，使羅丹寧在膜上自聚合，再利用羅丹寧含有雜原子的特性來用于重金屬離子吸附。該改性納米纖維膜對Hg2+有較好的吸附能力，對Hg2+和Pb2+最大吸附量分別為17.26、3.834 mg/g，對應(yīng)的最大吸附百分比為88.51%和7.473%。對Hg2+的吸附動力學(xué)符合準(zhǔn)二級吸附模型，即化學(xué)吸附，同時符合Langmuir吸附等溫線模型。在混合重金屬離子吸附中，Hg2+的存在促進(jìn)了膜對Pb2+的吸附，吸附百分比增強；可能是因為結(jié)合位點被占據(jù)，Hg2+吸附量下降，但吸附百分比不變，即在混合金屬離子條件下，改性納米纖維膜仍可保持相同的去除能力。另外，經(jīng)羅丹寧改性后的納米纖維膜可循環(huán)能力一般，第2次循環(huán)后吸附量與吸附百分比均下降，但第2次循環(huán)與第3次循環(huán)的測試結(jié)果相差不大，即可循環(huán)性得到一定保持。同時，羅丹寧改性納米纖維膜還具有較好抗菌性。

FZXB

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Adsorbability of modified poly(vinyl alcohol-co-ethylene) nanofiber membrane to heavy metal ions

WANG Yao1, ZHU Qing1, HU Chunyan1,2, WANG Dong1,2,3, YAN Kelu1,2

(1.CollegeofChemistry,ChemicalEngineeringandBiotechnology,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.NationalEngineeringResearchCenterforDyeingandFinishingofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 3.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,WuhanTextileUniversity,Wuhan,Hubei430200,China)

In order to solve the problem on the pollution of heavy metal ions to the environment, poly(vinyl alcohol-co-ethylene) (PVA-co-PE) modified nanofiber membrane was prepared for the adsorption of heavy metal ions. The influences of initial metal concentration, adsorption time and pH on the metal adsorption capacity were discussed. The results show that the adsorption rate of Hg2+of the nanofiber membrane modified by rhodamine meets the pseudo-second order equation, namely the chemical adsorption. And the adsorption isotherm belongs to Langmuir isotherm model. The maximum removal capacity for Hg2+reaches 17.26 mg/g when pH=3. Besides, the modified membrane has certain recyclability. Furthermore, it exhibits promising antimicrobial properties and is capable of removing the heavy metal mixture (Hg2+and Pb2+), providing an effective method for the treatment of heavy metal-polluted wastewater.

rhodanine; poly(vinyl alcohol-co-ethylene) nanofiber membrane; heavy metal adsorption; antimicrobial agent

10.13475/j.fzxb.20160903206

2016-09-19

2017-02-28

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0400504)

王遙 (1993—)，女，碩士生。主要從事改性納米纖維膜對重金屬吸附研究。王棟，通信作者，E-mail: wangdon08@126.com。

TS 195.6

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